Прокофьев П.С., вед. инженер НИЦ «Инвент»

Энергоэффективное оборудование для тепловлажностной обработки
воздуха с использованием низкотемпературного теплоносителя

Одной из главных ступеней является тепловлажностная обработка наружного воздуха для основных технологических помещений и аппаратов. Камеры увлажнения одновременно служат промывными камерами, так как вода растворяет газы и запахи, улавливает мелкие частицы пыли и освежает обработанный воздух. Фактически, аппараты увлажнения представляют собой дополнительную ступень очистки воздуха. Они незаменимы в системах кондиционирования помещений, когда необходимо выполнить влажностную обработку воздуха с одновременным его подогревом. В таком случае в камеру орошения подается теплоноситель с температурой выше, чем температура обрабатываемого воздуха по мокрому термометру.

В работах [1] и [3] рассмотрены почти все известные увлажнители воздуха и предложена их классификация, в частности паровые увлажнители отнесены к группе изотермических, а водяные составляют группу адиабатических. Такое деление является удобным с методической точки зрения, хотя, строго говоря, увлажнение воздуха паром происходит с некоторым повышением температуры воздуха, а увлажнение водой может происходить как при понижении, так и при повышении энтальпии воздуха в зависимости от температуры воды, подаваемой в увлажнитель.

Адиабатическое увлажнение является более экономичным, как минимум, на 1-2 порядка, поскольку процесс парообразования в этом случае происходит за счёт внутреннего перераспределения энергии, а внешнее энергопотребление связано с реализацией различного рода механизмов значительно менее затратных. В наиболее совершенных системах адиабатического увлажнения генерация 10 кг влаги требует всего 0,04 кВт потребляемой энергии.

В работе [3] системы адиабатического увлажнения воздуха делятся на три типа:

- испарительные;

- распылительные (воздушно-водяные);

- распылительные (водяные).

Вызывает возражение и предложенная автором [3] классификация, так как все адиабатические увлажнители являются по определению испарительными и более логично их классифицировать по способу создания и виду поверхности контакта на плёночные (орошаемая насадка) и капельные с водяными или воздушно-водяными форсунками, а также с центробежными распылителями.

В настоящей статье рассматривается принципиально иная конструкция адиабатического увлажнителя, названного авторами [4] роторным пластинчатым тепломассообменником (РПТМ), конструкция которого приведена на рис.1.

Рис. 1 Конструкция РПТМ.

РПТМ имеет корпус 1, поддон 2, входной и выходной воздушные патрубки 3 и 4 и размещённый в корпусе вращающийся по ходу воздуха ротор, собранный из параллельно установленных гладких дисков 5, закреплённых на горизонтальном валу 6 с зазором с помощью шайб 7. Ротор приводится во вращение электродвигателем 9 через редуктор 8. Для предупреждения слипания дисков и сохраниения необходимого зазора между ними по периметру ротора установлены шпильки 13 с шайбами такой же толщины, что и шайбы 7. Уровень воды в поддоне РПТМ поддерживается с помощью вертикальных перегородок 10, подпитка испаряющейся воды и её подача и удаление осуществляется через патрубки 12 и 11.

Роторный пластинчатый тепломассообменник работает следующим образом. Обрабатываемый воздух поступает через входной патрубок в корпус в радиальном направлении к вращающимся дискам и проходит в щелевых каналах между дисками к выходному патрубку. При вращении дисков их нижняя часть находится в поддоне с водой и при выходе диска в поток воздуха за счёт сил поверхностного натяжения на поверхности диска образуется плёнка воды, которая размывается воздухом по всей поверхности диска и именно с этой плёнкой и взаимодействует обрабатываемый воздух. Очевидно, что диски должны быть выполнены из хорошо смачиваемого материала, а их поверхность должна быть тщательно обезжирена.

РПТМ может быть установлен на всасывающей или нагнетательной стороне сети, в качестве секции увлажнения в центральном или подвесном кондиционере, на воздуховоде, внутри или вне обслуживаемого помещения.

В последние годы в НИЦ "Инвент" проведены исследования по оптимизации конструкции РПТМ, серийное производство которых освоила Волгоградская фирма ООО "ТЭК".

Анализ проектов НИЦ "Инвент", выполненных для нескольких десятков крупных офисных зданий и торговых центров показал, что для большинства из них потребовались увлажнители с адиабатным коэффициентом эффективности Е_а не выше 0,8. Значение Е_а вычисляется по общепринятой формуле

где t₁ – начальная температура воздуха по сухому термометру, °С;

t₂ – конечная температура воздуха по сухому термометру, °С;

t_м – температура обрабатываемого воздуха по мокрому термометру, °С.

В общем случае эффективность увлажнения воздуха в РПТМ зависит от диаметра дисков, зазора между ними, глубины погружения дисков в воду, частоты вращения ротора, скорости воздуха и его начальных параметров.

На основе обобщения экспериментальных данных предложен аппарат с диаметром дисков 330 мм, с зазором между ними 2 мм, конструкция которого показана на рис. 2. Диски выполняются из дюралюминия толщиной 0,5 мм, все элементы корпуса и поддон – из нержавеющей стали.

Рис. 2 Оптимизированная конструкция РПТМ.

Так как РПТМ работает без каплеуловителя, а скорость воздуха во фронтальном сечении значительно выше, чем для воздухоохладителей, то аппарат можно встроить практически в любой кондиционер, например, в настоящее время РПТМ применяет фирма YORK в своих центральных кондиционерах и фирма «ВЕНТА» в кондиционерах NOVAIR. Аппараты устанавливаются в пустой секции кондиционера длиной по ходу воздуха 1м.

НИЦ «Инвент» по исходным данным заказчика подбирает требуемую конструкцию РПТМ и выдаёт схему установки аппарата внутри кондиционера, а также построение процесса в J-d диаграмме.

Важной особенностью РПТМ является возможность останавливать процесс увлажнения в заданной точке, что позволяет отказаться от устройства второго подогрева. В качестве примера ниже приведены материалы подбора увлажнителя для одного из кондиционеров фирмы YORK.

Возвращаясь к вопросу о себестоимости выпускаемой продукции, следует отметить, что одним из перспективных направлений энергосбережения является использование низкопотенциальных источников теплоты с температурой не выше +45 °С. Однако низкопотенциальный теплоноситель для нагревания приточного воздуха практически не используется.

Это объясняется опасностью размораживания воздухонагревателей и повышением их стоимости из-за малого перепада температур теплоносителя – современные системы защиты отключают приточную установку при понижении температуры обратной воды на выходе из воздухонагревателя до +30…+35 °С.

В НИЦ «Инвент» предложено использовать для нагревания воздуха с отрицательной температурой низкопотенциальным теплоносителем роторный пластинчатый утилизатор теплоты (РПУТ), выполненный на базе роторного пластинчатого тепломассообменника (РПТМ), предназначенного для адиабатного увлажнения воздуха, естественно с необходимыми изменениями в конструкции последнего.

Существует две модификации РПУТ – схема с проточной низкотемпературной водой питьевого качества (РПУТп) и со встроенным в поддон змеевиковым теплообменником (РПУТз), в который подается низкотемпературный технический теплоноситель. Принципиальные схемы приведены на рис. 3,4.

Рис. 3 Принципиальная схема РПУТп.

Рис. 4 Принципиальная схема РПУТз.

Рекомендуемые схемы обвязки РПУТз приведены на рис. 5.

Рис.5 Схемы обвязки узла регулирования РПУТз.

Процесс обработки воздуха в кондиционере с РПУТ приведён на рис.6. Забегая вперёд, отметим, что процесс нагревания и увлажнения воздуха в РПУТ протекает по линии насыщения при j = 100% до температуры точки росы внутреннего воздуха или требуемого влагосодержания приточного воздуха, если в помещении есть значительные влаговыделения.

Рис.6 Процесс обработки воздуха
в кондиционере с РПУТ.

Теоретический анализ и эксперименты показывают, что на процесс тепломассообмена в РПУТ влияют:

- скорость потока воздуха во фронтальном сечении ротора, м/с;

- расход теплоносителя, отнесённый к расходу воздуха, который принято называть коэффициентом орошения В, кг воды/кг воздуха;

- частота вращения ротора, которую в проведённых экспериментах изменяли от 6 до 15 мин^-1.

Естественно, что в рамках одной статьи невозможно отразить все полученные результаты, поэтому ниже приведены графики (рис.7...9), характеризующие влияние отдельных факторов на эффективность работы РПУТ.

Рис. 7 График функции Е = f₁(B) при v = 4,5 м/с , n = 15 об/мин.

Рис. 8 График функции Е = f₂(n) при B = 1,0 кг/кг, v = 4,5 м/с.

Рис. 9 График функции Е = f₃(v) при B = 1,0 кг/кг, n = 15 об/мин.

Для обобщения результатов исследований РПУТ предложено использовать два параметра, не зависящих от набора пакета дисков или ширины ротора:

- коэффициент полного теплообмена K = Q_в / (F·ΔJ_p);

- коэффициент эффективности E = (t_в1 – t_в2) / (t_в1 – t_w1),

где Q_в – количество теплоты, переданной воздуху, кДж/с;

F – суммарная рабочая поверхность дисков по высоте фронтального сечения, м²;

DJ_р – разница энтальпий обрабатываемого воздуха, кДж/кг;

t_в1 и t_в2 – соответственно начальная и конечная температура воздуха, °С;

t_w1 – начальная температура воды, °С.

По результатам испытаний сделаны следующие выводы:

- опытно-промышленные образцы РПУТ обеспечивают нагрев наружного воздуха от температуры минус 20 °С до +5...+12 °С низкопотенциальным теплоносителем с температурой +30...+45 °С;

- регулирование теплоотдачи роторных утилизаторов рекомендуется осуществлять изменением частоты вращения ротора, а также изменением температуры теплоносителя, подаваемого либо в теплообменник, размещенный в поддоне аппарата (РПУТз), либо непосредственно в поддон (РПУТп).

Специальная серия опытов была проведена для оценки работы РПУТ в аварийной ситуации. Испытания выполнены с аппаратом РПУТ400з при расходе наружного воздуха 800 м³/ч и температуре на входе минус 12 °С. В рабочем режиме при температуре воды на входе в змеевик +15,8 °С и температуре воздуха на выходе +5,5 °С была отключена подача теплоносителя в змеевик. С этого момента с помощью термометра, установленного в поддоне, фиксировали изменение температуры воды в поддоне, а с помощью микроманометра, подключённого к отборникам статического давления до и после ротора, контролировали изменение аэродинамического сопротивления ротора, одновременно вели визуальное наблюдение за работой аппарата. График изменений температуры воды в поддоне и аэродинамического сопротивления ротора приведены на рис. 10. Как видно, после отключения теплоносителя температура воды в поддоне в течение 9 минут понижается от +15 до 0 °С, при этом аэродинамическое сопротивление ротора не изменяется. Однако уже через 2-3 минуты после того, как температура воды в поддоне достигла 0 °С, аэродинамическое сопротивление ротора начинает возрастать, что вызвано замерзанием плёнки воды в зазорах между дисками. Этот процесс чётко и безинерционно фиксировался микроманометром. Процесс замораживания продолжался примерно 6 минут, при этом, что очень важно, вода в поддоне не замерзала, и никаких ухудшений вращения ротора зафиксировано не было.

После подачи тёплой воды в змеевик уже через три минуты температура воды в поддоне поднялась до +5 °С, и ротор полностью оттаял, что сопровождалось выпадением тонких пластинок льда в поддон, и продолжил работать без каких-либо отклонений от расчетного режима. Полученные результаты показали, что каких-либо нарушений в последующей работе РПУТ не произошло, т.е. кратковременное замораживание не представляет опасности для аппарата, кроме того, установлена возможность реализации очень простой и надёжной схемы автоматической защиты РПУТ от замораживания по двум параметрам:

- по датчику температуры воды в поддоне, настроенному на температуру +2 °С;

- по датчикам перепада статического давления воздуха до и после ротора.

Оба способа хорошо известны специалистам по автоматизации СКВ и имеют необходимые датчики и приборы регулирования. Заметим, что контроль перепада статического давления является малоинерционным методом. Сама же защита обеспечивается закрытием приёмного воздушного клапана и отключением вентилятора, т.е. так же, как при защите воздухонагревателей первого подогрева.

Представленные в настоящей статье материалы отражают результаты исследований, полученные на опытно-промышленном стенде в ходе приемочных испытаний. Эти результаты показывают, что в роторном пластинчатом утилизаторе теплоты можно нагревать и одновременно увлажнять воздух с отрицательной температурой низкопотенциальным теплоносителем с температурой менее +45 °С без опасности замораживания аппарата.

Рис.10 Изменение температуры воды в поддоне и аэродинамического
сопротивления ротора в цикле искусственного замораживания.

Консультации, проведённые с рядом ведущих специалистов России в области теплоснабжения, показывают, что одним из источников низкопотенциальной теплоты для прямого нагревания и увлажнения воздуха может быть обратный теплоноситель из тепловых сетей, так как понижение температуры обратной воды целесообразно как для генерирующих, так и для транспортирующих компаний. Производство РПУТ начато уже в 2010 году, и авторы приглашают к сотрудничеству все заинтересованные в экономии энергоресурсов компании.

Библиографический список

1. Е.П. Вишневский. Кондиционирование воздуха – увлажнение. «С.О.К.», № 10, 2003г., стр.48-51.

2. Р. Лаззарин, Л. Налини. Увлажнение воздуха. United Elements, Санкт-Петербург, 2007г.

3. Е.П. Вишневский. Сравнительный анализ систем адиабатического увлажнения воздуха. «С.О.К.», № 8, 2004г., стр.76-83.

4. Авторское свидетельство № 1216576 «Устройство для тепловлажностной обработки воздуха».